生态环境是一个复杂的动态系统, 是一定区域范围内, 系统各组成要素之间、与外部环境之间, 通过物质、能量等介质, 相互转化、相互作用组合形成的关系链^[1]。生态系统是地球的生命支持系统, 生态系统服务功能是生态系统和生态过程形成的人类赖以生存的自然环境条件与效用^[2], 对人类的生存和发展有不可替代的作用。当前对于生态系统服务价值的研究也多是在谢高地等^[3]提出的“中国陆地生态系统服务价值当量因子表”基础上对其进行定量评估, 评估多从大尺度展开, 较少对县域小尺度生态系统服务变化特征进行探讨。邓舒洪^[4]、刘亚男等^[5]从土地利用变化角度出发, 分析了生态系统服务价值动态变化的原因; 周家艳等^[6]从生态系统服务功能价值评估的角度分析了苏州太湖国家旅游度假区规划环评项目。关于生态服务价值测算的标准方法一直处于探索中, 目前世界上还没有公认的, 比较合理、成熟的生态服务价值测算方法:王晓晴等^[7]结合土地生态要素以粮食单产进行区位修订, 估算了生态用地的生态系统服务价值; 肖玉等^[8]根据“粮食产量法”进行地区调整, 用耕地单位面积年自然粮食产量的生产服务功能的经济价值进行调整, 确定了适合本区域的当量因子表; 唐秀美等^[9]利用生态区位指标对生态服务价值当量因子进行调整, 验证了同种土地利用类型在不同生态区位具有不同生态服务价值; 赖瑾瑾等^[10]从景观格局方面选取指标, 设计修正系数调整了地域差异性。由于生态价值的功能并不是直接地反映到物质量的测度上, 所以学者在评估时, 常采用替代的办法进行估算。但是对不同地方、不同时间、不同社会发展状况的生态服务价值测算时, 应当根据自身特点选取适合的评估指标, 建立合理的评估模型, 因此, 生态系统服务价值的测试方法还有待继续研究。

本文从生态系统服务价值内涵入手, 以Costanza评估模型^[11]为基础, 参考谢高地等^[12-15]的研究成果, 以生态系统服务价值系数修订与动态调整为研究重点, 以青龙县为研究区, 通过区域差异性系数、社会发展修正系数的计算, 逐步构建一个较为完善并适用于县域尺度的生态系统服务价值动态评估模型。对2006—2016年间青龙县土地生态系统服务价值进行测算, 分析其动态变化规律。以期在理论和方法上为县域尺度生态系统服务价值研究提供相关借鉴, 在实践中为青龙县生态系统可持续性管理和土地利用格局优化提供量化依据。

1 研究区概况与数据来源 1.1 研究区概况

青龙满族自治县(简称青龙县)位于河北省东北部, 隶属于秦皇岛市。地处118°33′31″~119°36′30″E, 40°04′40″~40°36′52″N, 处于中朝台、燕山台褶带东部、华北坳陷、山海关台拱北部和马兰峪复式背斜东段的交合部位。在东北、华北两大经济区结合部和环渤海、环京津经济圈内。青龙县全县土地总面积3 510 km², 包括25个乡镇, 396个行政村。地势东、西、北三面高, 只有南面较低, 形似扁形漏斗出口。青龙县地处冀北山地丘陵区, 境内56%以上的土地为园地和林地, 生态条件十分优越, 2015年被划入“京津冀重要生态涵养区”, 在区域生态建设中占有重要位置。然而由于青龙县自身的自然条件, 该地区昼夜温差较大, 降雨量多, 水土流失现象及风蚀现象比较严重, 生态环境较为敏感脆弱。

1.2 数据来源

本文所采用的土地利用变化数据主要参照2006—2016年各年土地调查年鉴; 相关经济数据来源于《河北省农村统计年鉴》(2006—2016年)和《青龙满族自治县国民经济统计资料》(2006—2016年)、《青龙满族自治县志(1979—2004年)》及《青龙满族自治县政府工作报告(2016年)》等; 其他资料来源于《中国气象年鉴》(2006—2016年)、《青龙满族自治县土地利用总体规划(2010—2020年)》《青龙满族自治县土地利用总体规划(2010—2020年)调整完善方案》《秦皇岛市国民经济和社会发展“十三五”规划纲要》和秦皇岛及青龙县政府各部门提供的政策法规、发展规划等。

2 研究方法 2.1 生态系统服务功能价值评估基础模型

1997年, Costanza等^[11]将生态系统服务功能分成9项, 并针对全球范围内的生态系统服务总价值及各分项功能价值做了逐一计算。他们的研究思路可以概括为:首先, 根据一定的分类标准, 对研究区的生态系统进行分类; 其次, 依照不同的计算标准和方法, 计算各土地类型的生态系统服务价值; 最后, 汇总计算得到区域内总结构表。具体模型如下:

$ {V_t} = \sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^n {{S_i}} } \times {M_{ij}} $

(1)

式中: V_t表示区域第t年的生态系统服务总价值(元); S_i表示第i类土地利用类型的面积(hm²); M_ij表示单位面积的第i类生态系统的第j类服务功能的价值系数(元·hm^-2); i表示土地利用类型数; j表示生态系统服务功能类型数。

2002年, 谢高地等^[3]针对Costanza等研究成果制定了中国陆地生态系统服务价值当量因子表。2007年, 谢高地又改进了生态系统服务价值当量因子^[11], 具体见表 1。

本文以2007年谢高地研究员建立的最新的评估模型为初始模型, 根据区域实际及时间尺度粮食单价变化对区域生态系统服务总价值进行研究。

2.2 生态系统服务功能价值评估方法修正 2.2.1 单位粮食产量的经济价值测算

谢高地等^[3]的研究结果中当量因子采用粮食净价值, 是实际粮食价值扣除生产成本后的价值。经测算, 将其定义为粮食单产价值的1/7^[16]。

对青龙县的作物种植状况进行综合考虑, 选取谷类、薯类和豆类的播种面积及产值对1个当量因子的经济价值进行调整。此外, 由于农产品价格的变动会受经济因素的影响, 因此在计算中, 将农产品的产值全部换算成以2006年为基准的不变价。具体单位面积粮食产量的经济价值计算如公式(2)所示:

$ {E_t} = \frac{1}{7} \times \frac{{{T_t}}}{{{X_t}}} $

(2)

式中: E_t表示单位面积粮食产量的经济价值(元∙hm^-2); T_t表示研究区每年的粮食总价值(元); X_t表示研究区每年粮食播种面积(hm²)。

根据研究区经济统计年鉴, 运用公式(2), 统计得到2006—2016年青龙县单位面积生态系统食物生产经济价值统计表, 具体见表 2。

2.2.2 系数修正

1) 区域差异系数修正

谢高地等^[3]学者主要是针对我国平均状态下的生态系统服务价值进行了研究, 但是, 不同地区所处的位置、生态环境以及区域内生物多样性等的差异对区域生态系统的服务价值大小存在一定影响。为了使生态系统服务价值评估的结果更加准确, 在评估过程中必须要综合多方面因素进行考虑^[17], 如环境因素、时间因素、地域差异因素以及评估对象的各方面特征属性等等。区域差异系数反映的是不同区域中的各个区域要素共同作用所形成的差异, 本文考虑从区域尺度进行区域差异系数修正, 可依据区域内生物量^[16]的差异对不同区域生态系统服务价值进行修正。结合研究区自身实际情况, 本文采用净初级生产潜力(NPP)代替生物量, 用生物生产力指标中某类植被的自然植被净初级生产潜力值与所有类型植被的平均净初级生产力的比值对生态系统服务区域差异性系数(Q_t)进行修正, 具体计算公式如下:

$ {Q_t} = {\rm{NPP}}/{\rm{NP}}{{\rm{P}}_{{\rm{mean}}}} $

(3)

式中: Q_t表示第t年的区域差异系数; NPP表示自然植被的净初级生产潜力(t·hm^-2·a^-1); NPP_mean表示所有类型植被的平均净初级生产力。

目前, 已经有多种用来对NPP进行估算的模型^[17-20], 本文考虑到研究区实际状况以及资料数据的可获取性, 对NPP的预测采用了Thornthwaite Memorial模型:

$ {\rm{NPP}} = 3000\left[ {1 - {{\rm{e}}^{ - 0.000969({\rm{Z}} - 20)}}} \right] $

(4)

$ Z = \frac{{1.05R}}{{\sqrt {1 + {{(1 + 1.05R/H)}^2}} }} $

(5)

$ H = 3000 + 25t + 0.05{t^3} $

(6)

式中: Z表示研究区一年内实际蒸散量(mm); e表示自然常数; H表示研究区一年内的平均蒸散量(mm); t表示研究区一年内的平均气温(℃); R表示研究区一年内的降水总量(mm)。

根据公式(3)-(6)及青龙县2007年实际蒸散量、平均气温及年降水量, 计算出青龙县NPP值及区域差异系数, 具体见表 3。

2) 社会发展系数修正

生态系统自身具有复杂性, 这表现为时间和空间上的异质变化特征, 生态功能的多样变化特征等。Wilson等^[21]指出, 人们对生态系统服务价值大小的认识是一个动态的过程, 对其认识的过程是循序渐进、逐步深入的, 其价值量的大小与社会经济发展阶段密切相关, 具体体现为随着经济、社会的不断发展和进步, 人们对生态系统功能和作用的支付意愿也会逐渐提高^[22-23]。社会发展阶段系数反映的是在不同社会经济水平和人民生活水平下, 人们对生态价值的支付意愿的相对水平^[24]。因此, 本文针对青龙县提出用社会发展阶段系数修正生态服务功能价值的测算, 社会发展阶段系数的发展过程与生物生长的过程具有极其相似的发展过程特征, 因此可以用皮尔生长曲线(S曲线)模型来表征这种发展趋势特征, 具体计算公式为:

$ l = \frac{L}{{1 + {{\rm{e}}^{ - \left( {1/{E_n} - 3} \right)}}}} $

(7)

式中: l表示与现实支付意愿有关的社会发展阶段系数; L表示的是人们在极富情况下的支付意愿, 将其取值为1; e为自然常数; E_n表示恩格尔系数。

计算时, 先求取恩格尔系数, 包括青龙县城镇和农村, 再分别求其对应的城镇发展阶段系数l₁和农村发展阶段系数, 则青龙县综合发展系数为:

$ {l^\prime } = {l_1}{W_1} + {l_2}{W_2} $

(8)

式中: l₁表示城镇社会发展系数, W₁表示城镇人口的占比, l₂表示农村社会发展系数, W₂表示农村人口的占比。

假设, 人们对于生态系统的产品功能以及服务功能具有相同的支付意愿, 并根据这种情况制定了当量因子表, 那么社会发展修正系数构建如下所示:

$ K = \frac{{{{l'}_{研究区}}}}{{{{l'}_{全国平均}}}} $

(9)

根据社会发展系数公式(7)、公式(8)计算得到青龙县以及全国范围的社会发展阶段系数, 再根据公式(9)计算得到青龙县社会发展修正系数, 见表 4。

2.2.3 修正后生态系统服务功能价值动态评估模型

基于前述分析, 本文在Costanza等^[11]创立的区域生态系统评估模型的基础上, 综合参考谢高地等^[12]关于我国生态系统服务价值系数表的研究成果, 结合青龙县的具体发展情况, 从粮食单产经济价值(E_t)测算、区域差异系数(Q_t)修正和社会发展系数(K_t)修正3个方面对谢高地价值系数进行修正, 运用系数修正法, 得到调整后的区域生态系统服务价值评估模型, 具体如下:

$ {V_t} = \sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^n {{S_i}} } \times {M_{ij}} \times {E_t} \times {Q_t} \times {K_t} $

(10)

式中: V_t表示青龙县第t年生态系统服务的总价值(元); T_i表示青龙县i类土地利用类型的面积(hm²); F_ij表示青龙县第i类土地第j种生态系统服务功能所对应当量因子表数值; E_t表示青龙县第t年单位面积粮食产量的经济价值(元·hm^-2); Q_t表示青龙县生态系统服务的区域差异系数修正值; K_t表示青龙县第t年生态系统服务的社会发展系数修正值; i表示土地利用类型个数; j表示生态系统服务类型; t表示年份。

2.2.4 生态系统服务功能价值动态评估

本文根据青龙县土地覆被及土地利用现状, 参考中国科学院土地利用/覆被分类体系, 对青龙县11年的土地利用数据进行了重新归并、分类, 最终将青龙县域内土地分为7种土地利用类型。具体分类如表 5所示。

根据上述表 5青龙县的土地利用分类标准, 统计青龙县2006—2016年间各土地利用类型面积, 如表 6所示。

通过生态系统服务价值评估方法的修正, 得到了修正后的动态评估模型, 结合2006—2016年青龙县各年土地利用变化数据(表 6), 计算出2006—2016年青龙县各土地利用类型的各种生态系统服务功能类型的价值, 并进行分类汇总。

由于建设用地的生态系统服务价值通常较低且评估的方法相对复杂, 并且评估要求建设用地的分级分类程度更高以及城镇相关统计数据精确等, 本文限于数据精度和统计数据获取困难等因素, 并没有对研究区内的建设用地做出生态系统服务价值评估。通过对Costanza等^[11]和谢高地等^[12]做了区域和社会发展阶段的修正, 应用修正后的动态评估模型, 对2006—2016年青龙县生态系统服务价值进行评估, 结果见表 7。

依据生态系统服务功能的不同, 计算出青龙县2006—2016年生态系统服务功能价值构成, 具体见表 8。

3 生态系统服务价值动态变化分析 3.1 生态系统服务总价值变化

由表 7和图 1可以看出, 2006—2016年青龙县生态系统服务功能总价值呈增加-减少-增加的变化趋势, 总量增加45.07亿元, 年均变化量为4.51亿元·年^-1, 年均变化率为4.54%。

2006—2009年间, 青龙县生态系统服务功能总价值呈现不断增加的趋势, 2010—2011年间出现略微下降, 2012—2014年呈现逐年递增趋势, 到2014年总价值达到最高值, 为120.46亿元, 随后2015年生态系统服务功能总价值有所回降。根据研究区土地利用变化情况, 深入探究, 不难发现, 县域林地及园地的面积呈现不断增长的态势, 而相对整个生态系统来说, 林地与园地所能带来的生态系统服务占整个生态系统服务非常重要的部分。

此外, 根据2006—2016年的社会发展系数的变化情况可以看出, 社会发展系数在11年间呈现一种逐年递增的态势, 由2006年的0.98增加到2015年1.37, 并在2014年处达到峰值1.43, 与生态系统服务价值呈现相同的变化特征。因此, 青龙县生态系统服务价值的变化不仅受土地利用类型面积的影响, 还与单位面积粮食产值及社会经济发展状况存在一定的关系。

3.2 土地利用类型生态系统服务价值变化

由表 7及图 2可以看出, 2006—2016年青龙县各土地类型生态系统服务价值的变化趋势呈现增加-减少-增加的波动状态, 与2006—2016年青龙县生态系统服务功能总价值的变化趋势一致。

根据过去11年, 平均生态系统服务价值在每种土地类型中的构成情况, 林地所占比例是最高的, 占总生态系统服务价值的71.89%;其次是园地占比15.51%、水域占比4.16%、耕地占比4.08%;县域内未利用地及湿地占比最少, 分别为2.39%和1.96%。因此, 林地和园地在青龙县生态系统服务价值中占据十分重要的作用。

就每种土地类型的生态系统服务价值的变化规律而言, 在研究时段内具有相同的变化特征, 但各项的变化量有所不同。2006—2009年间, 林地所带来的生态系统服务价值增加量最多, 为21.47亿元, 占总变化量的73.35%, 湿地的变化量最少, 为0.55亿元, 仅占总变化量的1.88%; 2010—2011年间, 受林地和园地土地面积减少的影响, 其生态系统服务价值呈现一定程度的下降; 2012—2014年, 随着研究区社会经济发展水平的逐渐提高, 各类土地所能提供的生态系统服务价值也逐年提高, 林地、园地总增加量占总变化的87.88%, 湿地、未利用地影响最弱。因此, 单个土地类型的生态系统服务价值的增加和减少不仅与土地类型面积变化息息相关, 亦与社会发展阶段及其他经济因素的变化密切相关。这些因素的综合作用, 使得生态系统服务价值的变化呈现动态复杂性。

3.3 生态系统服务价值构成变化

综合分析表 7及图 3可以看出, 青龙县生态系统服务价值结构总体变化不大, 趋于稳定, 但各类功能的占比有较大区别, 其平均占比如图 3所示。

根据图 3可知, 各类生态系统服务功能所占的比例是不同的, 呈现了明显的大小关系, 依次为:生物多样性保护 > 水源涵养 > 气候调节 > 气体调节 > 土壤的形成与保护 > 原材料 > 废物处理 > 游憩文化 > 食物生产。其中, 生物多样性保护功能的平均价值是最高的, 为14.80亿元, 占生态系统服务平均价值的15.57%, 主要因为林地及园地的生物多样性保护功能服务价值的系数值较高, 而在青龙县的境内, 林地及园地的面积约占青龙县总面积的56%以上。此外, 研究区所处位置属于燕北低山丘陵盆地, 其耕地面积较少, 食物生产水平有限, 比例最低的是食物生产方面, 占平均值的2.03%。

从不同生态系统服务功能来看, 各土地利用类型所能提供的生态系统服务价值变化有所差异(图 4)。食物生产、气体调节、气候调节等8种生态系统服务功能的变化趋势一致, 且与总生态系统服务价值的变化相一致。而原材料的变化趋势与其余的趋势不尽相同, 其变化趋势呈现波动性变化。2006—2008年呈现逐年下降的趋势, 2010年出现跳跃式增加后, 再次在2010—2012年出现回降趋势, 在2014—2016年间呈现逐年上升趋势, 2016年变化趋势又出现小幅度下降。总体来看, 原材料的变化趋势较为复杂。

4 结论与讨论

本文以青龙县为研究区, 采用区域差异系数和社会发展系数对谢高地等^[12]建立的生态系统服务价值当量因子表进行修正, 通过构建生态系统服务价值动态评估模型, 评估了2006—2016年间青龙县生态系统服务价值的动态变化情况, 主要结论如下:

1) 2006—2016年间, 青龙县生态系统服务功能总价值呈现增加-减少-增加的变化趋势, 11年间总量增加45.07亿元, 年均变化量为4.51亿元·年^-1, 年均变化率为4.54%。

2) 从不同土地利用类型所提供的生态系统服务价值来看, 林地和园地所提供的生态系统服务价值最大, 其次是水域和耕地, 未利用地及湿地所占的比例最小。

3) 从青龙县生态系统服务价值结构来看, 总体趋于稳定状态, 其各部分占比大小依次为:生物多样性保护 > 水源涵养 > 气候调节 > 气体调节 > 土壤的形成与保护 > 原材料 > 废物处理 > 游憩文化 > 食物生产。

生态系统服务价值在整个生态过程中都是不断变化的, 这种动态变化体现了研究区社会发展和土地利用类型之间的变化。目前我国学者多是以静态时点进行生态系统服务价值测算, 对生态系统服务价值的动态评估研究还未成熟。与前人的研究相比, 本研究最大的特点在于生态系统服务价值测算中考虑了区位条件差异和社会发展阶段, 采用区域差异系数和社会发展系数对生态系统服务价值当量因子表进行修正, 构建了生态系统服务价值动态评估模型, 使其能更好地体现生态服务功能随时间的动态变化。

但是, 本文所选取的生态服务价值系数动态调整指标均为初步探索, 影响生态系统服务价值的因素有很多, 包括气候、地貌、土壤和植被等生物生产力的综合影响^[25], 本研究并未结合这些因素进行全面分析。今后可以继续在其他影响指标上再进行深入的研究, 以期在理论和方法上为县域尺度生态系统服务价值研究提供相关借鉴, 在实践中为县域小尺度生态系统可持续性管理和土地利用格局优化提供量化依据。